Usage of Standard Centrifugal Pumps as an Off-Grid Generator and Performance Analysis

Öz

Using field-specific design turbine-generator equipment in rural areas and projects with hydraulic resources at micro scale reduces accessibility by increasing investment costs. Another alternative for projects that want to generate electricity with usable performance with limited financial resources is to use the standard centrifugal pump-motor set as a turbine-generator. This study aimed to design a load control system that can keep the energy quality deterioration in variable load situations within the desired limits and at the same time be installed with low cost, while the standard centrifugal pump-motor set is independent from the grid as a turbine-generator and feeding single-phase loads. It is focused on the use of a three-phase self-excited induction generator to feed one-phase loads, which has the advantage of easy excitation and stable operation, thus reducing the number and cost of the elements in the load control system. PID algorithm has been created to enable the ballast load of the load control system to a stabile operation at the calculated power. MATLAB SIMULINK program was used to test the design in computer environment. Then, the physical performance tests of the system, which was established in the experimental set environment, were also performed. The results of the measurements showed that the designed load control card keeps the generator output voltage and frequency at the desired output voltage and frequency, which reduces the change in the generator output voltage frequency from 16% to 1% and the voltage change from 34% to 3% during load changes. It has been determined that the response time of the load control card is between 40 and 150 ms during load shedding and unloading.

Anahtar Kelimeler

• Centrifugal Pumps
• Turbine
• Asynchronous Generator
• PID

Proje Numarası

BY 1735

Standart Santrifüj Pompaların Şebekeden Bağımsız Jeneratör Olarak Kullanımı ve Performans İncelemesi

Öz

Şebekeden uzak alanlarda ve mikro ölçekte hidrolik kaynağa sahip projelerde sahaya özel tasarım türbin-jeneratör ekipmanı kullanmak yatırım maliyetini yükselterek, erişilebilirliği azaltmaktadır. Sınırlı finansal kaynak ile kullanılabilir performansa sahip elektrik üretilmesi istenilen projeler için bir diğer alternatif de standart santrifüj pompa-motor setinin türbin-jeneratör olarak kullanılmasıdır. Bu çalışma standart santrifüj pompa-motor setinin şebekeden bağımsız türbin-jeneratör olarak ve tek fazlı yükleri beslerken, değişken yük durumlarındaki enerji kalite bozulmasını istenilen sınırlarda tutabilecek ve aynı zamanda düşük maliyet ile kurulabilecek yük kontrol sisteminin tasarlanmasını amaçlamıştır. Çalışmada kolay ikazlanan ve kararlı çalışma avantajı bulunan üç fazlı kendinden ikazlı indüksiyon jeneratörün tek fazlı olarak kullanımını üzerinde yoğunlaşılmıştır, böylece yük kontrol sistemindeki eleman sayısı ve maliyet düşürülmüştür. Yük kontrol sistemi parçası balast yükün hesaplanan güçte kararlı şekilde çalışmasını sağlamak için PID algoritması oluşturulmuştur. Ortaya çıkan tasarımın bilgisayar ortamında testi için MATLAB SIMULINK kullanılmıştır. Daha sonra deney seti ortamında kurulan sistemin fiziksel performans testleri de gerçekleştirilmiştir. Yapılan ölçüm sonuçları, tasarlanan yük kontrol kartının yük değişimleri esnasında jeneratör çıkış gerilimi frekansındaki değişiminin %16 mertebesinden %1’e, % 34 olan gerilim değişimini %3 mertebesine düşürdüğü, jeneratörün istenilen çıkış voltajı ve frekansında tuttuğunu göstermiştir. Yük atma ve yük alma esnasında yük kontrol kartının tepki süresinin 40 ila 150 ms arasında olduğu tespit edilmiştir.  

Anahtar Kelimeler

• Santrifüj Pompa
• Türbin
• Asenkron Jeneratör
• PID

Destekleyen Kurum

Ordu Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri

Proje Numarası

BY 1735

Kaynakça

1. 1] Bucur D. M., Tanase N. O., Ghergu C. M. and. Isbaşoiu E. C, "Using Standard Pumps as Turbines", Applied Mathematics and Mechanics, 2: 275-278, (2009).
2. [2] Ramos H. and Borga A., "Pumps as Turbines: Unconventional Solution to Energy Production", Urban Water, 1(3): 261-263, (1999).
3. [3] Swarthi V. and Nithiyananthan K., "Squirrel cage Induction Generator simulations on MATLAB/SIMULINK environment", Proceedings of ICRTE, 135-149, (2017).
4. [4] Smith N. P. A., "Induction Generators for Stand-Alone Micro-Hydro Systems", Proceedings of International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth, 669-673, (1996).
5. [5] Ekanayake J., "Induction Generators for Small Hydro Schemes", Power Engineering Journal, 16(2): 61-67, (2002).
6. [6] Ünal S. ve Özdemir M., "Tek Fazlı Asenkron Generatörün YSA Tabanlı Modellenmesi", ELECO, 1-5, (2004).
7. [7] Shing B., Tandon A., Goel M. and Murthy S., "A Steady State Analysis on Voltage and Frequency Control of Self Excited Induction Generator in Micro-Hydro System", International Conference on Power Electronic, Drives and Energy Systems, 1-6, (2006).
8. [8] Dias J. A., dos Santos Jr E. C.. and Rocha N., "Low Cost Single-Phase Grid-Tie Generator", 2013 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1-6, (2013).

9. [9] Yuvarajan S. and Tariq M., "Simulink Based Modeling, Analysis and Simulation of Self Excited Induction Generator For Use In Remote Areas", IU-JEEE, 13: 16-23, (2013).
10. [10] Wiliams A., “Pumps As Turbines A Users's Guide”, Intermediate Technology Puplicatioans Ltd., London, (1995).
11. [11] Bogdanovic-Jovanovıc J. B., Milenkovic D. R., Svrkota D. M., Bogdanovic B. and Spasic I. T., "Pumps Used as Turbines Power Recovery, Energy Efficiency, CFD Analysis," THERMAL SCIENCE, 18 (3): 1029-1040, (2014).
12. [12] Smith N., "Motors As Generators for Micro-Hydro Power," Replica Press, Warwickshire, (2008).
13. [13] Çalışkan A., "Constand Voltage and Constand Frequency Operation of a Self Excited Induction Generator," M.S. thesis, Dept. Elect. and Electron. Eng., ODTU Univ., (2005).
14. [14] Şenel C., "Güç Kalitesi Problemleri ve Çözümleri," www.emo.org.tr/ekler/61deb408cb055eb_ek.pdf, (2019).